DE102007037502A1 - Reduced temperature component and method of manufacture - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Bauelement vorgeschlagen, welches verschiedene Maßnahmen zur Absenkung des Temperaturgangs kombiniert. Das Bauelement kann ein piezoelektrisches Substrat aufweisen, und aus der Oberseite des Substrates können sich elektrisch leitende Bauelementstrukturen befinden. Die Unterseite des Substrates ist mit einer Kompensationsschicht mechanisch fest verbunden, so dass eine mechanische Verspannung entsteht. Die Unterseite des Substrates und die Oberseite der Kompensationsschicht weisen eine Topographie auf.A component is proposed which combines various measures for lowering the temperature response. The component may have a piezoelectric substrate and electrically conductive component structures may be located from the upper side of the substrate. The underside of the substrate is mechanically firmly connected to a compensation layer, so that a mechanical tension is created. The underside of the substrate and the top of the compensation layer have a topography.
Description
Eine nachteilige Eigenschaft von SAW-Filtern ist ihre Frequenzdrift in Abhängigkeit von der Temperatur. Tendenziell nimmt dieser Einfluss mit dem elektro-akustischen Kopplungsfaktor des verwendeten piezoelektrischen Substrats zu. Für Anwendungen, in denen es auf hohe Selektion zwischen eng benachbarten Kanälen ankommt – etwa bei US UPC Duplexer – sind übliche Substrate wie LiTaO3 ungeeignet, um die schwierigen Anforderungen über einen weiten Betriebstemperaturbereich (z. B.: –40°C bis +85°C) zu erfüllen. Bei einem typischen Temperaturkoeffizienten der Mittenfrequenz (TCF, temperature coefficient of frequency) von ≈ –42ppm/K variiert diese dabei um mehr als 0.5%.A disadvantageous characteristic of SAW filters is their frequency drift as a function of the temperature. This influence tends to increase with the electro-acoustic coupling factor of the piezoelectric substrate used. For applications where high selection between closely spaced channels is required - such as US UPC duplexers - common substrates such as LiTaO 3 are unsuitable for meeting the demanding requirements over a wide operating temperature range (e.g., -40 ° C to +85 ° C) ° C). At a typical temperature coefficient of the center frequency (TCF) of ≈ -42ppm / K it varies by more than 0.5%.
Aus
der
Aus
der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Bauelement anzugeben, das einen reduzierten Temperaturgang aufweist, ohne dass dadurch andere Bauelementeigenschaften übermäßig verschlechtert werden.task The present invention is therefore to specify a component, which has a reduced temperature response, without thereby others Component properties deteriorated excessively become.
Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, den Temperaturgang eines Bauelements mit weniger aufwendigen Mitteln als bisher zu verbessern, insbesondere was die Behandlung und Qualität der zu verbindenden Oberflächen betrifft.A Another problem to be solved is the temperature response a device with less expensive means than before improve, especially as regards the treatment and quality relates to the surfaces to be joined.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Bauelement nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung des Bauelements sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.These Object is according to the invention with a component solved according to claim 1. Advantageous embodiments of Invention and a method for producing the device are to further claims.
Die Erfindung schlägt ein Bauelement vor, bei dem der gewünschte Effekt eines minimierten Temperaturgangs ohne das gleichzeitige Auftreten üblicherweise damit verbundener Nachteile erreicht wird.The Invention proposes a device in which the desired Effect of a minimized temperature response without the simultaneous Occurrence of commonly associated disadvantages is achieved.
Das erfindungsgemäße Bauelement umfasst ein Substrat, das an der Unterseite mit einer Kompensationsschicht mechanisch fest verbunden ist. Die miteinander zu verbindenden Oberflächen, die Unterseite des Substrates und die Oberseite der Kompensationsschicht, weisen jeweils eine Topographie auf.The component according to the invention comprises a substrate, the at the bottom with a compensation layer mechanically is firmly connected. The surfaces to be joined together, the bottom of the substrate and the top of the compensation layer, each have a topography.
Vorteilhaft ist der thermische Ausdehnungskoeffizient TCE1 des Substrats größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient TCE2 der Kompensationsschicht.Advantageous the thermal expansion coefficient TCE1 of the substrate is larger as the thermal expansion coefficient TCE2 of the compensation layer.
Die Topographie auf der Unterseite des Substrates und auf der Oberseite des Kompensationswafers, im Folgenden als die beiden zu verbindenden Schichten bezeichnet, hat den Vorteil, dass es durch entsprechend gewählte Topographien zu einer Vergrößerung der Oberflächen der beiden zu verbindenden Schichten kommt. Des Weiteren wird durch die Topographie eine Art von Verzahnung bzw. ein Ineinandergreifen der beiden zu verbindenden Schichten erreicht.The Topography on the bottom of the substrate and on top of the compensation wafer, hereinafter referred to as the two layers to be joined designated, has the advantage that it is selected by appropriately Topographies to increase the surface area the two layers to be joined comes. Furthermore, by the topography is a kind of interlocking or interlocking reached the two layers to be joined.
Als Substrat kommen neben LiTaO3 und LiNbO3 auch andere piezoelektrische Kristalle in Frage. Für den Kompensationswafer eignen sich beispielsweise Glas, LiTaO3, Glaskeramik, Quarz, Silizium, ZrO2, Al2O3, Saphir, SiC oder B4C. Diese Materialien liegen jeweils monokristallin, polykristallin als amorphes Glas oder Keramik vor.Besides LiTaO 3 and LiNbO 3 , other piezoelectric crystals are also suitable substrates. For example, glass, LiTaO 3 , glass ceramic, quartz, silicon, ZrO 2 , Al 2 O 3 , sapphire, SiC or B 4 C are suitable for the compensation wafer. These materials are each monocrystalline, polycrystalline as amorphous glass or ceramic.
Auf diese Weise wird eine mechanische Verspannung des piezoelektrischen Substrats erreicht, wobei die Verspannung eine Veränderung der elastischen Parameter bewirkt, die deren temperaturbedingter Veränderung entgegengesetzt ist. Diese Verspannung wirkt dabei vor allem über die Gestaltung der Topographie der zu verbindenden in der Folge als Fügeoberflächen bezeichneten Oberflächen. Sie führt dadurch zu einer Reduzierung des Temperaturgangs von mit der Ausdehnung des Substrats variierenden Bauelementparametern, insbesondere des Temperaturgangs der Frequenz bei elektroakustischen Bauelementen.On This way, a mechanical strain of the piezoelectric Substrate is reached, with the tension a change the elastic parameter causes the temperature-related Change is opposite. This tension works especially on the design of the topography of the to be connected in the sequence as joining surfaces designated surfaces. It leads to it a reduction in the temperature coefficient of with the expansion of the Substrate varying device parameters, in particular the temperature response the frequency of electroacoustic devices.
Das Substrat des erfindungsgemäßen Bauelements kann mit dem Kompensationswafer verklebt werden. Es bieten sich jedoch auch andere mögliche Verfahren (Fügen, Ronden, Schmelzen, Kitten, Sintern) zum Verbinden des Substrates mit dem Kompensationswafer an.The Substrate of the device according to the invention can glued to the compensation wafer. However, it is possible other possible methods (joining, blanks, Melting, cementing, sintering) for bonding the substrate to the Compensation wafer on.
Bei der Auswahl des zu verwendenden Klebestoffes ist es vorteilhaft, die Eigenschaften des Klebstoffes auf die Dicke der Klebefuge und die Rauhigkeit der zu verbindenden Oberflächen abzustimmen.at the selection of the adhesive to be used, it is advantageous the properties of the glue on the thickness of the glue joint and to adjust the roughness of the surfaces to be joined.
Für die Wahl des Klebstoffes sind zwei Eigenschaften von Vorteil: Wenn der verwendete Klebstoff ein E-Modul > 2·109 N/m2 (bei Raumtemperatur) aufweist und die Glasumwandlungstemperatur des Klebstoffes bei mindestens 85°C, vorzugsweise über 125°C liegt.Two properties are advantageous for the choice of the adhesive: If the adhesive used has an E modulus> 2 × 10 9 N / m 2 (at room temperature) and the glass transition temperature of the adhesive is at least 85 ° C., preferably above 125 ° C. ,
Es eignen sich prinzipiell Klebstoffe auf Basis von Epoxidharz, Polyimid, Acrylat, Siliconharz, Polyesterharz, oder auch hochschmelzende Thermoplaste wie Polyphenylensulfid, oder LCP (Liquid Crystal Polymers). Des Weiteren eignen sich auch mineralischer Kitt oder Zement.It are in principle adhesives based on epoxy resin, polyimide, Acrylate, silicone resin, polyester resin, or even high-melting thermoplastics such as polyphenylene sulfide, or LCP (Liquid Crystal Polymers). Of Also suitable are mineral putty or cement.
Zur Steigerung des E-Moduls kann der Klebstoff gefüllt sein. Gut dafür eignen sich beispielsweise Metalle, Oxide, Carbide und Nitride. Die Teilchengrößen liegen unter der angestrebten Dicke der Klebstoffschicht, also vorzugsweise unter 1 μm. Darüber hinaus eignen sich auch entsprechend dünne Fasern aus den genannten Materialien, Glas oder Kohlenstoff.to Increase the modulus of elasticity, the adhesive can be filled. Good for example, metals, oxides, carbides are and nitrides. The particle sizes are below the desired thickness of the adhesive layer, so preferably below 1 μm. In addition, are also suitable thin fibers of said materials, glass or carbon.
Vorzugsweise sind diese entlang bzw. parallel der akustischen Ausbreitungsrichtung orientiert. Als besonders vorteilhaft anzusehen sind so genannte „Nanotubes" aus Kohlenstoff. Der E-Modul von als „Nanotubes" vorliegendem Kohlenstoff weist einen vergleichbaren Wert wie derjenige von Diamant auf.Preferably these are along or parallel to the acoustic propagation direction oriented. Particularly advantageous are so-called "nanotubes" made of carbon. The modulus of elasticity of "nanotubes" present Carbon has a similar value to that of diamond on.
Die Topographie auf der Unterseite des Substrates und auf der Oberseite der Kompensationsschicht wird in einfacher Weise in Form einer geeignet hohen Rauhigkeit der beiden Fügeflächen realisiert. Durch diese Rauhigkeit können die die Rauhigkeit bildenden „Unebenheiten" – Erhebungen und Vertiefungen – ineinander greifen, sodass bei Temperaturänderungen eine Verspannung der beiden Schichten entsteht. Dazu ist es notwendig, dass der mittlere Abstand zwischen Substrat und Kompensationsschicht kleiner ist als die Rauhigkeitsamplitude der beiden Fügeoberflächen. Je kleiner das Verhältnis aus mittlerem Abstand zur Rauhigkeitsamplitude ist, desto besser wirkt die Verzahnung und eine umso bessere Verspannung kann erreicht werden. Vorteilhafte Verhältnisse liegen beispielsweise bei Werten kleiner 0,5 und vorzugsweise kleiner 0,25.The Topography on the bottom of the substrate and on top the compensation layer is easily in the form of a suitable realized high roughness of the two joining surfaces. Due to this roughness, the roughness forming "roughness" - elevations and depressions - interlock, so with temperature changes a tension of the two layers arises. For this it is necessary that the mean distance between substrate and compensation layer is smaller than the roughness amplitude of the two joining surfaces. The smaller the ratio of mean distance to the roughness amplitude, the better the gearing and the better the tension can be reached. Advantageous conditions are for example, at values less than 0.5 and preferably less than 0.25.
Neben der Rauhigkeit sind auch ineinander greifende Profilierungen der Oberflächen geeignet. Diese können durch beidseitigen Materialauftrag (z. B. durch Aufdampfen, Aufsputtern, Galvanisieren, Aufdrucken oder vergleichbare Verfahren), durch beidseitigen Materialabtrag (z. B. durch Sägen, Bohren, Schleifen, Sandstrahlen, Erodieren, Lasern, Ätzen oder vergleichbare Verfahren) oder durch eine Kombination daraus gebildet werden.Next Roughness are also interlocking profiles of Surfaces suitable. These can be done on both sides Material application (eg by vapor deposition, sputtering, electroplating, printing or comparable methods), by material removal on both sides (eg by sawing, drilling, grinding, sandblasting, eroding, Lasers, etching or similar methods) or by a combination of these can be formed.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelements sind Ausgangsdicken von 30 bis 500 μm für das Substrat und 100 bis 500 μm für den Kompensationswafer bevorzugt. Nach dem Verkleben kann der Sandwich ein- oder beidseitig auf eine Gesamtdicke von 100–500 μm heruntergedünnt werden. Vorzugsweise hat das Substrat anschließend eine Dicke, die weniger als die Hälfte der Gesamtdicke beträgt.to Production of the device according to the invention are starting thicknesses of 30 to 500 microns for the Substrate and 100 to 500 microns for the compensation wafer prefers. After bonding, the sandwich can be single or double sided down to a total thickness of 100-500 microns down become. Preferably, the substrate then has a Thickness less than half the total thickness.
Die beschriebene Methode kann mit anderen bekannten Methoden kombiniert werden um eine Reduktion des TCF zu erreichen.The described method can be combined with other known methods will be to achieve a reduction of the TCF.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen der Veranschaulichung der Erfindung und sind daher nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.in the The invention will be described below with reference to exemplary embodiments and the associated figures explained in more detail. The figures serve to illustrate the invention and are therefore only schematically and not to scale. Like parts are designated by like reference numerals.
Die
andere der beiden zu verbindenden Oberflächen weist Strukturen
Die
Strukturen können wahlweise punkt- oder andersförmig,
als Langestreckte gerade oder gekrümmte oder wellenartig
verlaufende Strukturen oder zueinander parallel verlaufend vorliegen.
Insofern die Struktur eine anisotrope Gestalt aufweist, ist sie
so zu orientieren, dass die Stresskomponente in der akustischen
Ausbreitungsrichtung erhalten bleibt. Beispielweise sollte bei SAW
Bauelementen ein Rillenprofil bzw. langgestreckte Strukturen
Ein Ausführungsbeispiel sieht auf einer Außenseite Bauelementstrukturen vor, die als Wandlerstrukturen zur Anregung und Auskopplung von Oberflächenwellen dienen. Außerdem können Bauelementstrukturen zur Gestaltung von z. B. MEMS, BAW oder SAW-Bauelementen vorgesehen sein. Im speziellen handelt es sich um solche Bauelementstrukturen die durch eine thermische Längenausdehnung in ihren Spezifikationen beeinträchtigt werden und die durch eine vorteilhafte Gestaltung der Topographie der Fügeflächen von Substrat und Kompensationswafer positiv beeinflusst werden.One Embodiment looks on an outside Component structures that as transducer structures for excitation and extraction of surface waves serve. Furthermore can component structures for the design of z. MEMS, BAW or SAW components may be provided. In particular it acts It is about such device structures by a thermal Length expansion in their specifications affected and are characterized by a favorable design of the topography of the Joining surfaces of substrate and compensation wafer positively influenced.
Obwohl die Erfindung nur anhand weniger Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht auf diese beschränkt. Mögliche Variationen ergeben sich aus Art und Formgestaltung der Kompensationsschicht, der Zwischenschicht, aus der genauen Gestaltung der Bauelementstrukturen. Allen Ausführungen ist gemein, dass sie mit den angegebenen erfindungsgemäßen Merkmalen eine wesentliche Verbesserung der Temperaturabhängigkeit, insbesondere bzgl. der Resonanzfrequenz, erzielen, ohne dass dazu eine einzelne Maßnahme vollständig ausgereizt und die damit verbundene Nachteil in Kauf genommen werden müsste. Somit gibt die Erfindung ein Bauelement an, welches eine ausgezeichnete Bauelementperformance und eine wesentlich verbesserte bzw. verringerte Temperaturabhängigkeit der Bauelementeigenschaften, z. B. der Resonanzfrequenz aufweist.Although the invention has been described in terms of only a few embodiments, it is not limited thereto. Possible variations result from the type and shape of the compensation layer, the intermediate layer, from the exact design of the component structures. Allen Off It is a common feature of the invention that they achieve a significant improvement in the temperature dependence, in particular with respect to the resonance frequency, with the specified features according to the invention, without the need for a single measure to be completely exhausted and the associated disadvantage to be accepted. Thus, the invention provides a device which has an excellent device performance and a significantly improved or reduced temperature dependence of the device properties, for. B. the resonant frequency.
- 11
- Substratsubstratum
- 22
- Kompensationsschichtcompensation layer
- 33
-
Unterseite
des Substrates
1 Bottom of the substrate1 - 44
-
Oberseite
der Kompensationsschicht
2 Top of the compensation layer2 - 55
- Bauelementstrukturendevice structures
- 66
- Zwischenschichtinterlayer
- 77
- Strukturstructure
- 7171
- erhabene Strukturensublime structures
- 7272
- als Vertiefungen ausgebildete Strukturenwhen Wells trained structures
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